KR101807499B1 - Apparatus for estimating direction of arrival based on a circularly arraying antenna compensating intermutual interference and method therefor - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 방법은, 가시 영역 내의 분할된 각도 구간 내에서 상기 원형 배열 안테나의 상호 간섭 효과를 포함하는 제1매니폴드(manifold) 행렬을 획득하는 단계; 상기 각도 구간에서 상기 원형 배열 안테나에 대응되는 가상 배열 안테나의 제2매니폴드 행렬을 획득하는 단계; 상기 제1매니폴드 행렬과 변환행렬의 곱과 상기 제2매니폴드 행렬의 차이가 최소가 되도록 상기 변환행렬을 결정하는 단계; 상기 변환 행렬을 상기 원형 배열 안테나의 수신 신호와 곱하여 가상 수신 신호를 획득하는 단계; 및 상기 가상 수신 신호를 z-변환하여 극점(pole)을 획득하여 도래각을 추정하는 단계를 포함하고, 수신신호를 이용하여 Hankel Matrix를 형성하고, 형성된 Hankel Matrix를 고유값분해(SVD : Singular Value Decomposition)를 하여 원형 배열 안테나에서 신호의 도래각을 추정할 수 있다. A method of estimating an angle of incidence based on a circular array antenna according to the present invention includes the steps of obtaining a first manifold matrix including a mutual interference effect of the circular array antennas in divided angular intervals within a visible region; Obtaining a second manifold matrix of the virtual array antenna corresponding to the circular array antenna in the angular interval; Determining the transformation matrix such that the difference between the product of the first manifold matrix and the transformation matrix and the second manifold matrix is minimized; Multiplying the transform matrix by a received signal of the circular array antenna to obtain a virtual received signal; And calculating a hankel matrix using the received signal. The Hankel matrix is then converted into a singular value (SVD) signal by performing z-transform on the virtual received signal to obtain a pole, Decomposition can be used to estimate the arrival angle of a signal in a circular array antenna.

Description

상호간섭효과를 보상한 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 장치 및 추정 방법{APPARATUS FOR ESTIMATING DIRECTION OF ARRIVAL BASED ON A CIRCULARLY ARRAYING ANTENNA COMPENSATING INTERMUTUAL INTERFERENCE AND METHOD THEREFOR}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a circular array antenna-based arrival angle estimating apparatus and an estimation method for compensating mutual interference effects,

본 발명은 원형배열 안테나 상에서 표적의 도래각 추적을 위한 기법 및 장치에 대한 내용이다. The present invention relates to a technique and apparatus for tracking the arrival angle of a target on a circular array antenna.

배열 소자를 이용하여 수신신호의 도래각(DoA : Direction of Arrival)을 추정 및 추적하는 문제는 레이더, 소나, 무선통신시스템 등에서 공통적으로 다루고 있는 중요한 문제이고, 민수 및 군수 분야에서 많은 연구가 진행되고 있다.The problem of estimating and tracking the Direction of Arrival (DoA) of an incoming signal using an array element is an important problem commonly addressed in radar, sonar, and wireless communication systems, and many studies have been conducted in the civil and military fields have.

방위각 추정을 위한 알고리즘은 크게 두 기법으로 나눌 수 있다. 첫째는 특이점에 대한 성분을 원하는 영역 안에서 다수 샘플을 통해 찾아내는 Spectral Analysis이며 MUSIC(Multiple Signal Classification), CAPON 등이 이에 해당된다. 두 번째는 특이점에 대한 성분을 직접적으로(Directly) 얻어내는 기법이며 ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique)과 MPM(Matrix Pencil Method) 등이 이에 해당된다. 위의 알고리즘들은 등간격 선형 배열 안테나(ULA : Uniform Linear Array)를 기반으로 하고 있기 때문에 원형 배열, 임의 구조의 배열에 대해서는 직접 적용이 불가능하다. End-fire 방향에서 스캔을 할 수 없는 선형 배열 안테나와 달리 전방향 원형배열 안테나는 360도 방향에 대해서 스캔이 가능하다. The algorithm for the azimuth estimation can be roughly divided into two methods. First, it is a spectral analysis that finds a component of a singular point through a large number of samples in a desired region, and it corresponds to MUSIC (Multiple Signal Classification) and CAPON. The second is a technique for directly obtaining the components of a singular point, such as Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique (ESPRIT) and Matrix Pencil Method (MPM). Since the above algorithms are based on a uniform linear array antenna (ULA), it is impossible to directly apply a circular array or an arbitrary structure. Unlike a linear array antenna which can not scan in the end-fire direction, the omnidirectional circular array antenna can scan in the 360-degree direction.

이와 관련하여, 안테나 배열 소자간의 상호간섭 효과가 모든 소자에서 동일하게 발생한다. 기존에는 위와 같은 구조적 장점을 활용하기 위해 원형 배열 안테나를 선형 배열 안테나처럼 처리하기 위한 Phase mode excitation 기반의 빔형성 기법이 사용되고 왔다. 원형 배열 안테나는 각 배열 소자간에서 입사신호원의 위상이 등간격으로 증가하지 않으나, 해당 빔 형성 기법을 이용하면 원형 배열 안테나 각 소자에 가중치를 적용하여 각 배열 소자간의 위상간격이 등간격으로 생성할 수 있다. 그러나 이 기법은 배열소자의 나열순서에 따라 등가 end-fire 방향이 존재하여 그 방향에서 오차가 증가하게 된다는 문제점이 있다.In this regard, mutual interference effects between the antenna array elements occur in all devices equally. Conventionally, in order to utilize the above structural merits, a phase mode excitation-based beam forming technique has been used to treat a circular array antenna as a linear array antenna. In the circular array antenna, the phase of the incident signal source does not increase at equal intervals among the array elements. However, when the beam forming method is used, the weight is applied to each element of the circular array antenna, can do. However, this technique has a problem in that an equivalent end-fire direction exists depending on the order of arrangement of array elements, thereby increasing the error in the direction.

그 외에 도래각 추정오차를 증가시키는 상호간섭 영향 보상 또한 이루어져야 한다는 문제점이 있다.In addition, there is a problem that mutual interference effect compensation for increasing the arrival angle estimation error must be performed.

또한, 실제 상황에서는 배열 안테나 주변의 구조물, 안테나 프레임, 주변 안테나로 인해 전자파적인 영향들이 발생하며, 기존의 알고리즘을 바로 적용할 수 없다는 문제점이 있다. Also, in the actual situation, electromagnetic interference occurs due to the structure around the array antenna, the antenna frame, and the surrounding antenna, and the conventional algorithm can not be applied immediately.

한편, 도래각 추정 방법과 관련하여, 원형배열 안테나에서는 상호간섭 영향 보상 및 도래각 추정을 위하여 능동소자패턴과 최적의 가상배열을 통해 얻어진 수신신호에 MPM을 이용하여 도래각 추정을 수행할 필요가 있다. 도래각 추적기법은 대표적으로 모노펄스 추적이 있다. 모노펄스 추적은 합/차 빔을 생성하여 각각의 비율을 통해 도래각을 추정하는 기법이다. 실제 모노펄스 추적기 운용시에는 시차를 두고 빔을 기계적으로 움직이며 해당 범위에서의 표적들을 추적한다. 그러나 이 기법은 한 빔 내에서 하나의 표적만 추적할 수 있는 단점이 또한 존재한다.  With respect to the arrival angle estimation method, it is necessary to perform the arrival angle estimation using the MPM for the received signal obtained through the active element pattern and the optimal virtual arrangement for the mutual interference compensation and the arrival angle estimation in the circular array antenna have. The arrival angle tracking technique is typically monopulse tracking. Monopulse tracking is a technique for generating sum / difference beams and estimating the angle of incidence through each ratio. In actual monopulse tracker operation, the beam is moved mechanically with a time difference to track the targets in that range. However, this technique also has the disadvantage that only one target can be traced in one beam.

본 발명은 위 배경기술에 따라 새로운 기술 요구에 의하여 안출된 것으로, 전술한 문제점을 해결하는 데에 있다.The present invention has been devised in accordance with the above-described background art, and it is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems.

구체적으로, 본 발명의 목적은 원형 배열 상에서 전 방위각에 대하여 균일한 성능으로 도래각을 추정하는 데에 있다.Specifically, it is an object of the present invention to estimate the angle of arrival with uniform performance over the entire azimuth angle on the circular array.

또한, 본 발명의 목적은 도래각을 추정하는 데에 있어서, 배열 안테나 간에 발생하는 상호간섭 효과를 보상하는 데에 있다.It is also an object of the present invention to compensate for the mutual interference effect generated between the array antennas in estimating the arrival angle.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 방법은, 가시 영역 내의 분할된 각도 구간 내에서 상기 원형 배열 안테나의 상호 간섭 효과를 포함하는 제1매니폴드(manifold) 행렬을 획득하는 단계; 상기 각도 구간에서 상기 원형 배열 안테나에 대응되는 가상 배열 안테나의 제2매니폴드 행렬을 획득하는 단계; 상기 제1매니폴드 행렬과 변환행렬의 곱과 상기 제2매니폴드 행렬의 차이가 최소가 되도록 상기 변환행렬을 결정하는 단계; 상기 변환 행렬을 상기 원형 배열 안테나의 수신 신호와 곱하여 가상 수신 신호를 획득하는 단계; 및 상기 가상 수신 신호를 z-변환하여 극점(pole)을 획득하여 도래각을 추정하는 단계를 포함하고, 수신신호를 이용하여 Hankel Matrix를 형성하고, 형성된 Hankel Matrix를 고유값분해(SVD : Singular Value Decomposition)를 하여 원형 배열 안테나에서 신호의 도래각을 추정할 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method for estimating an angle of incidence based on a circular array antenna, the method including: a first manifold matrix including mutual interference effects of the circular array antennas in divided angular intervals in a visible region; ; Obtaining a second manifold matrix of the virtual array antenna corresponding to the circular array antenna in the angular interval; Determining the transformation matrix such that the difference between the product of the first manifold matrix and the transformation matrix and the second manifold matrix is minimized; Multiplying the transform matrix by a received signal of the circular array antenna to obtain a virtual received signal; And calculating a hankel matrix using the received signal. The Hankel matrix is then converted into a singular value (SVD) signal by performing z-transform on the virtual received signal to obtain a pole, Decomposition can be used to estimate the arrival angle of a signal in a circular array antenna.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 극점은 상기 가상 수신 신호의 도래각에 의한 배열 소자 간의 위상 차(zk)에 해당할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the pole may correspond to a phase difference (zk) between the array elements due to the arrival angle of the virtual received signal.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 위상 차(zk)는 다음과 같은 수식에 기반하여 결정되고,According to an embodiment of the present invention, the phase difference zk is determined based on the following equation,

Figure 112016045898173-pat00001
Figure 112016045898173-pat00001

Figure 112016045898173-pat00002
Figure 112016045898173-pat00002

Figure 112016045898173-pat00003
Figure 112016045898173-pat00003

상기 Y0 및 Y1 은 각각 Hankel 행렬(Y)의 마지막 열을 제거한 행렬 및 첫 번째 열을 제거한 행렬인 것을 특징으로 할 수 있다.The Y 0 and Y 1 may be a matrix obtained by removing the last column of the Hankel matrix Y and a matrix obtained by removing the first column.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 위상 차(zk)는 다음과 같은 수식에 더 기반하여 결정되고,According to one embodiment of the present invention, the phase difference zk is determined further based on the following equation,

Figure 112016045898173-pat00004
Figure 112016045898173-pat00004

Figure 112016045898173-pat00005
Figure 112016045898173-pat00005

상기 eig는 고유치를 구하는 연산이고, 상기

Figure 112016045898173-pat00006
각각
Figure 112016045898173-pat00007
의 마지막 행과 첫 번째 행이 삭제된 행렬이고, 상기
Figure 112016045898173-pat00008
은 상기 U의 K개의 행만 선택하여 생성된 행렬인 것을 특징으로 할 수 있다.Eig is an operation for obtaining eigenvalues,
Figure 112016045898173-pat00006
each
Figure 112016045898173-pat00007
The last row and the first row of the matrix are deleted,
Figure 112016045898173-pat00008
Is a matrix generated by selecting only K rows of the U.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도래각은 상기 위상 차(zk) 및 상기 가상 배열 안테나의 각 소자들 간의 간격 및 수신된 신호의 주파수에 기반하여 결정될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the angle of incidence can be determined based on the phase difference zk and the spacing between the respective elements of the virtual array antenna and the frequency of the received signal.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 장치는, 복수의 안테나 소자들이 원형으로 배열된 원형 배열 안테나; 상기 복수의 안테나 소자들 각각으로부터 수신된 무선 신호에 대한 신호 처리에 기반하여 무선 신호의 도래각을 추정하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 가시 영역 내의 분할된 각도 구간 내에서 상기 원형 배열 안테나의 상호 간섭 효과를 포함하는 제1매니폴드(manifold) 행렬을 획득하고, 상기 각도 구간에서 상기 원형 배열 안테나에 대응되는 가상 배열 안테나의 제2매니폴드 행렬을 획득하고, 상기 제1매니폴드 행렬과 변환행렬의 곱과 상기 제2매니폴드 행렬의 차이가 최소가 되도록 상기 변환행렬을 결정하고, 상기 변환 행렬을 상기 원형 배열 안테나의 수신 신호와 곱하여 가상 수신 신호를 획득하고, 상기 가상 수신 신호를 z-변환하여 극점(pole)을 획득하여 도래각을 추정하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for estimating an angle of incidence based on a circular array antenna, including: a circular array antenna in which a plurality of antenna elements are arranged in a circular shape; And a control unit for estimating an arrival angle of a radio signal based on a signal process for a radio signal received from each of the plurality of antenna elements, Acquiring a first manifold matrix including a mutual interference effect, obtaining a second manifold matrix of a virtual array antenna corresponding to the circular array antenna in the angular interval, converting the first manifold matrix into a first manifold matrix, Determining the transform matrix so that the difference between the product of the matrix and the second manifold matrix is minimized, multiplying the transform matrix by the received signal of the circular array antenna to obtain a virtual received signal, And acquiring a pole to estimate an arrival angle.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 원형 배열 안테나 및 상기 제어부 사이에 배치되는 무선 유닛을 더 포함하고, 상기 원형배열 안테나를 통해 상기 무선 유닛에 의해 수신된 무선 신호에 기반하여 상기 제어부가도래각 추정을 수행하고, 상기 무선 유닛에 의해 기저대역 신호나 중간주파수 대역 신호로 변환된 신호에 기반하여 상기 제어부가 도래각 추정을 수행하거나 또는 기 무선 유닛은 상기 원형 배열 안테나로부터 수신된 무선 신호를 상기 제어부로 전달하고, 상기 무선 신호에 기반하여 상기 제어부는 도래각 추정을 수행할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is further provided a wireless communication system, comprising: a radio unit disposed between the circular array antenna and the control unit, wherein, based on a radio signal received by the radio unit via the circular array antenna, And the controller performs an arrival angle estimation based on a signal converted into a baseband signal or an intermediate frequency band signal by the wireless unit, or the wireless unit transmits the radio signal received from the circular array antenna to the base station And the control unit may perform the arrival angle estimation based on the radio signal.

본 발명에 따르면, 수신신호를 이용하여 Hankel Matrix를 형성하고, 형성된 Hankel Matrix를 고유값분해(SVD : Singular Value Decomposition)를 하여 원형 배열 안테나에서 신호의 도래각을 추정할 수 있다는 장점이 있다.According to the present invention, a Hankel matrix is formed using a received signal, and a Hankel matrix formed by singular value decomposition (SVD) is used to estimate a signal arrival angle in a circular array antenna.

또한, 본 발명에 따르면, 해당 고유값을 PAST(Projection Approximation Subspace Tracking)알고리즘을 사용하여 매우 작은 연산량을 가지는 장점이 있다. Also, according to the present invention, the eigenvalue is advantageously small by using a Projection Approximation Subspace Tracking (PAST) algorithm.

또한, 본 발명에 따르면, 도래각 추정시 해당 표적의 위치에 따라 가상 선형 배열 안테나를 회전시켜 향상된 도래각 추정 및 추적 성능을 갖는다는 장점이 있다.Also, according to the present invention, there is an advantage that the virtual linear array antenna is rotated according to the position of the target when the arrival angle is estimated, thereby having improved arrival angle estimation and tracking performance.

도 1은 본 발명과 관련된 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 장치의 구성도를 도시한다.
도 2는 본 발명과 관련하여, 상기 원형 배열 안테나(100)가 원형 구조물에 부착된 형태를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 원형 배열 안테나의 각 소자별로 방사 패턴을 도시한다.
도 4는 본 발명과 관련하여 입사 각도에 따른 도래각 추정 오차를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 원형 배열 안테나의 가상배열소자를 회전시키는 개념을 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명과 관련하여 PAST 알고리즘을 프로그램 코드로 구현하는 개념을 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 두 개의 표적에 대하여 SNR=20dB인 환경에서의 도래각 추정 결과를 도시한다.
도 8은 도 7과 관련하여 두 개의 표적에 대하여 SNR=20dB인 환경에서의 도래각 추정 오차를 도시한다.
도 9은 본 발명에 따른 도래각 추정 장치의 제어부의 상세 구성도를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 도래각 추정 방법의 흐름도를 도시한다.Fig. 1 shows a configuration diagram of an angle-of-arrival estimating device based on a circular array antenna related to the present invention.
Fig. 2 shows a configuration in which the circular array antenna 100 is attached to a circular structure in the context of the present invention.
FIG. 3 shows a radiation pattern for each element of the circular array antenna according to the present invention.
FIG. 4 shows an arrival angle estimation error according to an incidence angle in the context of the present invention.
5 is a conceptual diagram illustrating a concept of rotating a virtual array element of a circular array antenna according to the present invention.
Figure 6 illustrates the concept of implementing the PAST algorithm in program code in connection with the present invention.
Figure 7 shows the result of the arrival angle estimation in an environment with SNR = 20dB for two targets according to the present invention.
Figure 8 shows the arrival angle estimation error in an environment with SNR = 20dB for two targets with respect to Figure 7;
9 is a detailed block diagram of a control unit of the arrival angle estimating apparatus according to the present invention.
Fig. 10 shows a flow chart of the approach angle estimation method according to the present invention.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings, It will be possible. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and are herein described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.Like reference numerals are used for similar elements in describing each drawing.

제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. The term "and / or" includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Should not.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈", "블록" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. The suffix "module "," block ", and "part" for components used in the following description are given or mixed in consideration of ease of specification only and do not have their own distinct meanings or roles .

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 상호간섭효과를 보상한 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 방법 및 도래각 추정 장치를 상세하게 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout.

도 1은 본 발명과 관련된 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 장치의 구성도를 도시한다. 상기 도래각 추정 장치(1000)는 원형배열 안테나(100), 무선 유닛(RU: Radio Unit: 200), 및 제어부(300)를 포함한다. 이와 관련하여, 상기 도래각 추정 장치(1000)는 상기 원형배열 안테나(100)를 통해 상기 무선 유닛(200)에 의해 수신된 무선 신호에 기반하여 상기 제어부(300)가 도래각 추정을 수행할 수 있다. 또한, 상기 무선 유닛(200)에 의해 기저대역 신호나 중간주파수 대역 신호로 변환된 신호에 기반하여 상기 제어부(300)가 도래각 추정을 수행할 수 있다. 즉, 상기 무선 유닛(200)은 상기 원형 배열 안테나(100)로부터 수신된 무선 신호를 상기 제어부(300)로 전달한다. 여기서, 상기 제어부(300)로 전달된 무선 신호는 RF 대역, 중간주파수 대역, 또는 기저대역 신호 중 적어도 하나일 수 있다.Fig. 1 shows a configuration diagram of an angle-of-arrival estimating device based on a circular array antenna related to the present invention. The arrival angle estimation apparatus 1000 includes a circular array antenna 100, a radio unit (RU) 200, and a control unit 300. In this regard, the arrival angle estimating apparatus 1000 can perform the arrival angle estimation based on the radio signal received by the radio unit 200 through the circular array antenna 100 have. In addition, the control unit 300 can perform the arrival angle estimation based on the baseband signal or the intermediate frequency band signal converted by the wireless unit 200. That is, the radio unit 200 transmits the radio signal received from the circular array antenna 100 to the controller 300. Here, the radio signal transmitted to the controller 300 may be at least one of an RF band, an intermediate frequency band, and a baseband signal.

상기 원형배열 안테나(100)는 원형으로 배열되는 복수의 안테나 소자들을 포함한다. 상기 복수의 안테나 소자들은 개수가 N이고 상기 원형배열 안테나(100)의 반지름인 R인 경우에, 각 배열 소자간의 간격은

Figure 112016045898173-pat00009
로 표현한다. 한편, 각 배열 소자간의 간격은 이와 같이 균등 간격뿐만 아니라, 각 소자들이 임의의 간격으로 비균등하게 배치된 경우도 고려될 수 있다. 복수의 안테나 소자들에 대한 균등 간격 배치 및 비균등 간격 배치에 대하여, 각 소자들의 위치를 극좌표값으로 표현될 수 있으며, i번째 안테나 소자의 각도 상의 위치는
Figure 112016045898173-pat00010
로 표현된다. 한편, 상기 원형 배열 안테나(100)의 각 소자에 대한 steering vector는 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.The circular array antenna 100 includes a plurality of antenna elements arranged in a circular shape. In the case where the number of the plurality of antenna elements is N and R is a radius of the circular array antenna 100,
Figure 112016045898173-pat00009
. On the other hand, the intervals between the array elements can be considered not only equal intervals but also arrangements of the elements non-uniformly at arbitrary intervals. For equal spacing and unequal spacing for a plurality of antenna elements, the position of each element can be represented by a polar coordinate value, and the position on the angle of the i-th antenna element is
Figure 112016045898173-pat00010
Lt; / RTI > The steering vector for each element of the circular array antenna 100 is expressed by Equation (1) below.

Figure 112016045898173-pat00011
Figure 112016045898173-pat00011

상기 원형 배열 안테나(100)가 수신한 신호의 복소진폭 벡터는

Figure 112016045898173-pat00012
와 같이 표현된다. 시공간적인 백색 가우시안 노이즈는
Figure 112016045898173-pat00013
일 경우에 수신신호는 아래의 수학식2와 같이 나타낼 수 있다.The complex amplitude vector of the signal received by the circular array antenna 100 is
Figure 112016045898173-pat00012
. Spatio-temporal white Gaussian noise
Figure 112016045898173-pat00013
The received signal can be expressed by Equation (2) below. &Quot; (2) "

Figure 112016045898173-pat00014
Figure 112016045898173-pat00014

Figure 112016045898173-pat00015
Figure 112016045898173-pat00015

상기 원형 배열 안테나(100)의 위상정보는 ULA 기반으로 이루어져 있는 기존의 MUSIC, CAPON, MPM, ESPRIT 등의 도래각 알고리즘에 적용할 수 없다. 이를 해결하기 위하여 Phase mode excitation을 이용한 beamspace 기법이 사용된다. 하지만 해당 기법은 모드의 개수 및 원형배열 구조의 반지름과 같은 제한조건이 존재한다. 본 발명에서는 원형배열안테나를 가상의 선형배열안테나로 동작할 수 있게 해주는 변환행렬을 이용한다.The phase information of the circular array antenna 100 can not be applied to the conventional arrival angle algorithms such as MUSIC, CAPON, MPM, and ESPRIT based on ULA. To solve this problem, a beamspace method using phase mode excitation is used. However, there are constraints such as the number of modes and the radius of the circular array structure. In the present invention, a conversion matrix is used to enable a circular array antenna to operate as a virtual linear array antenna.

도 2는 본 발명과 관련하여, 상기 원형 배열 안테나(100)가 원형 구조물에 부착된 형태를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 배열 안테나의 상호간섭이 생기는 경우와 배열 안테나가 부착된 구조 주변에 안테나 성능에 영향을 줄 수 있는 구조물이 있는 경우가 고려된다. 이와 같이, 임의의 위치에 안테나가 배치되어 있는 경우에 대하여 가상의 안테나 배열을 이용하면 이러한 상호간섭에 의한 영향들을 어느 정도 억제를 할 수 있다. 본 발명에서는 상기 원형 배열 안테나(100)가 원형으로 안테나가 배치되어 있으며 각각의 안테나 소자가 도 2와 같이 부착되어 있는 상황을 가정한다. Fig. 2 shows a configuration in which the circular array antenna 100 is attached to a circular structure in the context of the present invention. As shown in FIG. 2, there is a case where mutual interference occurs between the array antennas and a case where there is a structure that can affect the antenna performance around the structure in which the array antenna is attached. As described above, when a virtual antenna array is used in a case where antennas are arranged at arbitrary positions, the effects due to such mutual interference can be suppressed to some extent. In the present invention, it is assumed that the circular array antenna 100 is circularly arranged and each antenna element is attached as shown in FIG.

상기 제어부(300)는 상기 원형 배열 안테나(100)의 각 소자로부터 상기 무선 유닛(200)을 통해 수신된 무선 신호에 대한 신호 처리에 기반하여 무선 신호의 도래각을 추정한다. 이와 관련하여, 상기 제어부(300)는 다음과 같은 동작들을 수행할 수 있다. The control unit 300 estimates the arrival angle of the radio signal based on the signal processing of the radio signal received from each element of the circular array antenna 100 through the radio unit 200. In this regard, the controller 300 may perform the following operations.

사전에 정의된 구간에 대한 모든 각도 θ에 대해서 실제 안테나 구조의 측정을 통해 얻어진 실제의 배열 매니폴드(array manifold)를

Figure 112016045898173-pat00016
라고 하고 가상의 등간격 선형 배열 (ULVA : Uniform Linear Virtual Array)를
Figure 112016045898173-pat00017
라고 하였을 때 두 개의 manifold를 변환(transformation) 행렬
Figure 112016045898173-pat00018
를 이용하여 보상을 해줄 수 있다. 따라서, 아래와 같이 수학식 3과 같은 관계식이 성립한다.The actual array manifold obtained through measurement of the actual antenna structure for all angles θ for a predefined interval
Figure 112016045898173-pat00016
And a virtual uniform linear array (ULVA).
Figure 112016045898173-pat00017
When two manifolds are transformed,
Figure 112016045898173-pat00018
Can be used to compensate. Therefore, the following relationship is established as shown in the following equation (3).

Figure 112016045898173-pat00019
Figure 112016045898173-pat00019

사전에 정의된 구간에 대하여 정의된 Transformation 행렬을 이용하여, 배열안테나간의 상호간섭 효과, Near-field 구조물 또는 장애물, 임의의 위치에 배치된 안테나 배열의 경우에 의한 현상과 같은 원하지 않은 다양한 전자기적 효과들을 제거할 수 있다. 등간격 선형 배열 안테나를 가상배열로 한 상태에서 실제 안테나 데이터를 통해 Transformation 행렬

Figure 112016045898173-pat00020
를 얻는 과정은 아래와 같다.By using the defined trans- formation matrix for a predefined interval, various unwanted electromagnetic effects such as mutual interference effects between array antennas, near-field structures or obstacles, and phenomena caused by antennas arranged at arbitrary positions Can be removed. In a virtual array of equally spaced linear array antennas,
Figure 112016045898173-pat00020
The process of obtaining the following is as follows.

1) 가시영역 내의 모든 각도를 사용하게 되면 성능이 열화 되므로 구간을 제한 한 후에 해당 구간을 간격으로 나눈다.1) If all angles in the visible region are used, the performance deteriorates.

2) 정의되는 각도 구간은 아래의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.2) The defined angular interval can be expressed by Equation (4) below.

Figure 112016045898173-pat00021
Figure 112016045898173-pat00021

3) 정의된 각도 구간 내에서 실제 배열 안테나의 Manifold 행렬을 측정 또는 전자파 수치해석 시뮬레이션을 통해 구한다. 이때, 측정 또는 전자파 수치해석 시뮬레이션을 통해 얻어낸 신호들은 다양한 전자기적 효과들이 없는 이론적 조향 벡터와 다르게 원치 않은 전자기적 효과들을 포함하게 된다.3) Obtain the Manifold matrix of the actual array antenna within the defined angular interval by measurement or electromagnetic wave simulation. At this time, the signals obtained through measurement or electromagnetic wave simulation include the unwanted electromagnetic effects, unlike the theoretical steering vectors, which do not have various electromagnetic effects.

한편, 각 안테나 배열 소자에서 정의된 각도 구간 내에서 입사된 신호는 아래의 수학식 5와 같이 A(θ)의 각 열 벡터에 해당한다.On the other hand, a signal incident within an angle interval defined by each antenna array element corresponds to each column vector of A (?) As shown in Equation (5) below.

Figure 112016045898173-pat00022
Figure 112016045898173-pat00022

4) 정의된 각도 구간 내에서 가상 배열 안테나의 Manifold는 수식적으로 얻어 낼 수 있다. 이때, 가상배열 Manifold는 아래와 같은 수학식 6으로 표현된다.4) Manifolds of virtual array antennas can be obtained formally within defined angular intervals. At this time, the virtual array Manifold is expressed by Equation (6) below.

Figure 112016045898173-pat00023
Figure 112016045898173-pat00023

이때, 가상배열 안테나의 각도구간의 개수와 실제 배열 안테나의 각도구간 개수는 동일하여야 한다.In this case, the number of angular sections of the virtual array antenna and the number of angular sections of the actual array antenna should be the same.

5) 얻어진 실제 배열 안테나의 Manifold와 가상 배열 안테나의 Manifold를 이용하여 아래와 같은 최소자승법 기법을 통해 Transformation 행렬

Figure 112016045898173-pat00024
를 얻어낼 수 있다.5) Using the Manifold of the actual array antenna and the Manifold of the virtual array antenna, the Transformation matrix
Figure 112016045898173-pat00024
Can be obtained.

Figure 112016045898173-pat00025
Figure 112016045898173-pat00025

위의 식의 유일 해를 얻기 위해서는 주어진 구간 내에서 정의된 각도 샘플의 개수가 배열 안테나의 개수보다 크거나 같아야 한다. 위의 식의 최소자승법의 해는 아래의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.In order to obtain the uniqueness of the above equation, the number of angular samples defined within a given interval should be greater than or equal to the number of array antennas. The solution of the least squares method of the above equation can be expressed by the following Equation (8).

Figure 112016045898173-pat00026
Figure 112016045898173-pat00026

얻어진 Transformation 행렬

Figure 112016045898173-pat00027
를 실제 배열의 수신 신호 y에 곱해주게 되면 영향 보상된 가상의 수신신호
Figure 112016045898173-pat00028
를 얻을 수 있다.The obtained Transformation matrix
Figure 112016045898173-pat00027
Is multiplied by the received signal y of the actual array,
Figure 112016045898173-pat00028
Can be obtained.

본 발명에서는 신호원의 위치에 따라서 가상배열을 회전시켜서 최적의 도래각 추정 성능을 얻어낸다. 이와 관련하여, 도 3은 본 발명에 따른 원형 배열 안테나의 각 소자별로 방사 패턴을 도시한다. 도 3과 관련하여, 상기 원형 배열 안테나(100)의 소자 개수 N이 16 이며 반지름 2.25λ 인 경우, 22.5도 간격으로 등간격 배열된 경우를 고려한다. 이때, 도 2와 같은 형태로 배열된 안테나일 경우에 1번부터 8번 소자 까지의 능동소자 패턴은 도 3과 같다.In the present invention, the virtual array is rotated according to the position of the signal source to obtain an optimum arrival angle estimation performance. In this regard, FIG. 3 shows a radiation pattern for each element of the circular array antenna according to the present invention. Referring to FIG. 3, when the number N of elements of the circular array antenna 100 is 16 and the radius is 2.25 ?, it is considered that the elements are equally spaced at intervals of 22.5 degrees. In this case, in the case of an antenna arranged in the form as shown in FIG. 2, the active element patterns from 1 to 8 are as shown in FIG.

기존 알고리즘은 각 소자의 빔패턴이 등방성임을 가정하지만, 실제 배열 소자 패턴 및 구조인 경우 위와 같이 빔 패턴이 형성되게 된다.In the conventional algorithm, it is assumed that the beam pattern of each device is isotropic, but in the case of the actual array device pattern and structure, the beam pattern is formed as described above.

한편, 본 발명에서는 Matrix Pencil Method를 이용하여 도래각을 추정한다. 이와 관련하여, 등간격 선형 배열 안테나에서 입사각 θk를 갖는 k개의 신호에 대한 n번째 선형 배열소자에서의 수신 신호는 아래의 수학식 9와 같이 표현된다.In the present invention, the arrival angle is estimated using the Matrix Pencil Method. In this regard, a received signal in an n-th linear array element for k signals having an incident angle [theta] k in an equally spaced linear array antenna is expressed by Equation (9) below.

Figure 112016045898173-pat00029
Figure 112016045898173-pat00029

여기서 αk는 k번째 신호의 복소진폭, d는 배열 안테나의 간격, N은 배열소자의 수, θk는 k번째 표적의 입사각을 의미한다. 수학식 8에서

Figure 112016045898173-pat00030
라고 했을 때, 수학식 8은 아래의 수학식 10과 같이 간략히 표현된다.Where α k is the complex amplitude of the kth signal, d is the spacing of the array antennas, N is the number of array elements, and θ k is the angle of incidence of the k th target. In Equation (8)
Figure 112016045898173-pat00030
, Equation (8) is briefly expressed as Equation (10) below.

Figure 112016045898173-pat00031
Figure 112016045898173-pat00031

이 때, zk는 신호의 입사각에 의한 배열소자 간의 위상차를 의미하며, z-변환에서 pole에 해당된다. 그러므로 수신 신호로부터 이러한 pole을 획득하면 신호원의 입사각을 추정할 수 있다. 얻어진 수신 신호를 이용하여 Hankel matrix를 아래의 수학식 11과 같이 구성할 수 있다.In this case, z k means the phase difference between the array elements due to the incident angle of the signal, and corresponds to the pole in the z-transform. Therefore, by obtaining these poles from the received signal, we can estimate the angle of incidence of the source. The Hankel matrix can be constructed as shown in Equation (11) using the obtained received signal.

Figure 112016045898173-pat00032
Figure 112016045898173-pat00032

이때, L은 pencil 계수로써 일반적으로 N/3 근처의 정수값을 사용한다. 또한, K개의 신호를 추정하기 위해서

Figure 112016045898173-pat00033
의 조건을 만족하여야 한다.In this case, L is a pencil coefficient and generally uses an integer value near N / 3. Further, in order to estimate K signals
Figure 112016045898173-pat00033
Shall be satisfied.

위에서 얻은 Hankel 행렬의 마지막 열을 제거한 행렬을 Y0, 첫 번째 열을 제거한 행렬을 Y1이라고 할 때 각 행렬은 아래의 수학식 12 및 13과 같이 나타낼 수 있다.When the matrix obtained by removing the last column of the Hankel matrix obtained above is Y 0 , and the matrix obtained by removing the first column is Y 1 , each matrix can be expressed by the following equations (12) and (13).

Figure 112016045898173-pat00034
Figure 112016045898173-pat00034

Figure 112016045898173-pat00035
Figure 112016045898173-pat00035

이때, 상기 전술된 각각의 행렬은 아래의 수학식 14 내지 17에 의해 표현된다.At this time, each of the above-described matrices is expressed by the following equations (14) to (17).

Figure 112016045898173-pat00036
Figure 112016045898173-pat00036

Figure 112016045898173-pat00037
Figure 112016045898173-pat00037

Figure 112016045898173-pat00038
Figure 112016045898173-pat00038

Figure 112016045898173-pat00039
Figure 112016045898173-pat00039

이 때 pole의 정보를 보유하고 있는 Zd를 추정하기 위한 방법으로 의 고유치 해석 방법이 있다. 이 때 (.)*는 Moore-Penrose pseudo inverse를 의미한다. 그러나 수신 신호에 잡음이 포함되어 있으면 Zd에 신호뿐만 아니라 잡음에 대한 정보가 함께 포함되므로 신호의 개수 K에 대한 추정이 필요하다. 이를 위해 행렬 Y의 고유치를 이용한다. 행렬 Y에 SVD를 적용하면 아래의 수학식 18과 같이 표현된다.At this time, there is a method of eigenvalue analysis as a method for estimating Zd which holds pole information. In this case (.) * Means Moore-Penrose pseudo inverse. However, if the received signal contains noise, it is necessary to estimate the number K of signals because Zd includes not only the signal but also noise information. To do this, we use the eigenvalues of matrix Y. When SVD is applied to the matrix Y, it is expressed as shown in Equation 18 below.

Figure 112016045898173-pat00040
Figure 112016045898173-pat00040

여기서, U와 V는 unitary 행렬이고,

Figure 112016045898173-pat00041
는 Y의 고유치를 포함하는 대각행렬이 된다. 일반적으로 좋은 SNR 환경에서 행렬
Figure 112016045898173-pat00042
의 K개의 고유치는 개의 우위의(dominant) 값을 갖고, 나머지 고유치들은 매우 작은 값을 갖는다. 이 때 고유치가 급격하게 변화하는 지점, 혹은 임계값 위에 있는 고유치의 개수를 원신호의 개수 K라고 정한다. 이를 통해 수학식 18의 위의 과정을 통해 행렬 U의 K개의 행만 선택하여 새로운 행렬
Figure 112016045898173-pat00043
를 생성하게 된다. 이를 이용하여 다음과 같은 식을 통해 고유치 벡터 {zk}를 얻어낼 수 있다.Where U and V are unitary matrices,
Figure 112016045898173-pat00041
Is a diagonal matrix containing the eigenvalues of Y. Generally, in a good SNR environment,
Figure 112016045898173-pat00042
The K eigenvalues of K are dominant and the remaining eigenvalues have very small values. At this time, the number of eigenvalues at the point where the eigenvalue changes abruptly or on the threshold value is defined as the number K of the original signals. Accordingly, only K rows of the matrix U are selected through the above process of Equation (18)
Figure 112016045898173-pat00043
. Using this, the eigenvector vector {zk} can be obtained by the following equation.

Figure 112016045898173-pat00044
Figure 112016045898173-pat00044

여기서

Figure 112016045898173-pat00045
각각
Figure 112016045898173-pat00046
의 마지막 행과 첫 번째 행이 삭제된 행렬이다. eig는 고유치를 구하는 연산을 의미한다. 위에서 얻어진 zk를 이용하여 아래와 같은 식을 통해 DOA를 추정할 수 있다.here
Figure 112016045898173-pat00045
each
Figure 112016045898173-pat00046
The last row and the first row of the matrix are deleted. eig means an operation for obtaining eigenvalues. Using the zk obtained above, DOA can be estimated by the following equation.

한편, 도 4는 본 발명과 관련하여 입사 각도에 따른 도래각 추정 오차를 도시한다. 도 4와 관련하여, 도 3에서의 능동소자 패턴과 X축 상에 반파장 간격으로 11개가 선형 배치된 가상배열을 통해 30도에서 150도 사이의 섹션에서 얻어낸 변환행렬을 이용하였다. 이때, SNR=20dB인 상황에서 아래와 같은 도래각 추정 오차를 얻을 수 있다. 관련 결과는 도 4와 같다.Meanwhile, FIG. 4 shows an arrival angle estimation error according to an angle of incidence with respect to the present invention. With reference to FIG. 4, a transformation matrix obtained from a section between 30 degrees and 150 degrees through the active element pattern in FIG. 3 and a virtual arrangement in which 11 are arranged linearly at half wavelength intervals on the X axis is used. At this time, the following angular estimation error can be obtained in the situation of SNR = 20dB. The related results are shown in Fig.

선형 배열 안테나의 도래각 추정 성능은 end-fire 방향으로 갈수록 떨어지기 때문에 본 발명에서는 신호의 위치에 맞게 가상 선형 배열을 해당 신호위치로 회전시켜서 향상된 도래각 추정 오차를 얻고자 한다.Since the arrival angle estimation performance of the linear array antenna is gradually decreased toward the end-fire direction, the present invention aims to obtain an improved arrival angle estimation error by rotating the virtual linear array to the corresponding signal position according to the signal position.

도 5는 본 발명에 따른 원형 배열 안테나의 가상배열소자를 회전시키는 개념을 나타낸 개념도이다. 도 5를 참조하면, 신호 위치로 회전시키는 방법은 각 배열 소자에 입사되는 신호의 세기를 통해 구역을 나누게 되고, 그 구역의 각도에 맞게 가상배열소자를 회전시킨다. 5 is a conceptual diagram illustrating a concept of rotating a virtual array element of a circular array antenna according to the present invention. Referring to FIG. 5, in the method of rotating to the signal position, the region is divided through the intensity of a signal incident on each array element, and the virtual array element is rotated according to the angle of the region.

가상배열은 물리적으로 배열을 회전시키는 것이 아닌 데이터 적으로 회전시키는 것이기 때문에 상황에 맞게 즉각적으로 적용할 수 있다. Virtual arrays are not physically rotated arrays, but rather rotated as data, so they can be instantly applied to the situation.

위에 설명했듯이, MPM의 주요 연산은 SVD에 있으며, SVD를 통해 생성된 eigen-vector를 이용하여 도래각을 추정한다. 본 발명에서는 PAST 알고리즘을 이용하여 변화하는 신호에 대한 eigen-vector를 추정 하여 이를 MPM에 적용하여 도래각을 추정한다.As described above, the main operation of the MPM is in SVD, and the arrival angle is estimated using the eigen-vector generated by SVD. In the present invention, an eigen-vector of a changing signal is estimated using a PAST algorithm, and then applied to an MPM to estimate an arrival angle.

이와 관련하여, 도 6은 본 발명과 관련하여 PAST 알고리즘을 프로그램 코드로 구현하는 개념을 도시한다. 도 6을 참조하면, PAST 알고리즘은 도 6과 같은 루프를 통해 얻어낼 수 있다.In this regard, FIG. 6 illustrates the concept of implementing the PAST algorithm in program code in connection with the present invention. Referring to FIG. 6, the PAST algorithm can be obtained through a loop as shown in FIG.

한편, 도 7은 본 발명에 따른 두 개의 표적에 대하여 SNR=20dB인 환경에서의 도래각 추정 결과를 도시한다. 도 7을 참조하면, 두 개의 표적이 -60도와 -40도부터 100도씩 움직였을 때 SNR=20dB인 환경에서 도 7과 같은 도래각 추정 결과를 얻을 수 있다.Meanwhile, FIG. 7 shows the arrival angle estimation result in an environment with SNR = 20 dB for two targets according to the present invention. Referring to FIG. 7, the arrival angle estimation result as shown in FIG. 7 can be obtained in an environment with SNR = 20 dB when two targets move from -60 degrees and -40 degrees to 100 degrees.

한편, 도 8은 도 7과 관련하여 두 개의 표적에 대하여 SNR=20dB인 환경에서의 도래각 추정 오차를 도시한다. 도 8을 참조하면, 추적 횟수에 따른 모든 샘플 상에서 대략 1도 미만의 오차를 갖는 것을 볼 수 있다.On the other hand, FIG. 8 shows the arrival angle estimation error in an environment with SNR = 20 dB for two targets with reference to FIG. Referring to FIG. 8, it can be seen that there is an error of less than about 1 degree on all samples according to the number of tracking times.

한편, 도 9은 본 발명에 따른 도래각 추정 장치의 제어부의 상세 구성도를 도시한다. 상기 제어부(300)는 수신 신호 행렬 생성부(310), 가상 배열 생성부(320), 변환행렬 형성부(330), Hankel 행렬 형성부(340), 반복횟수 판정부(350), 고유치 분해부(360), PAST 고유치 벡터 추정부(370) 및 MPM 각도 추정부(380)를 포함한다.9 is a detailed block diagram of the control unit of the arrival angle estimating apparatus according to the present invention. The controller 300 includes a reception signal matrix generator 310, a virtual array generator 320, a transformation matrix generator 330, a Hankel matrix generator 340, a repetition number determiner 350, (360), a PAST eigenvector vector estimator (370), and an MPM angle estimator (380).

상기 수신 신호 행렬 생성부(310)는 원형 배열 안테나를 구성하는 N개의 안테나 소자에 대하여 잡음 및 간섭을 포함하는 k개의 수신 신호들에 대한 수신 신호 행렬인 제1매니폴드 행렬을 생성한다.The reception signal matrix generator 310 generates a first manifold matrix, which is a reception signal matrix for k reception signals including noise and interference, with respect to N antenna elements constituting the circular array antenna.

상기 가상 배열 생성부(320)는 상기 원형 배열 안테나의 각 소자들을 등가의 선형 배열 안테나의 각 소자들에 매핑하여, 가상 배열 안테나를 생성하고, 가상 배열 안테나와 관려된 제2 매니폴드 행렬이 생성한다.The virtual array generator 320 maps each element of the circular array antenna to each element of the equivalent linear array antenna to generate a virtual array antenna, and a second manifold matrix related to the virtual array antenna is generated do.

상기 변환 행렬 형성부(330)는 상기 원형 배열 안테나 및 상기 가상 배열 안테나와 관련된 특정 값들의 차이가 최소가 되도록 하는 변환 행렬을 형성한다. 즉, 제1매니폴드 행렬과 변환행렬의 곱과 제2매니폴드 행렬의 차이가 최소가 되도록 상기 변환행렬을 결정한다. 이와 관련하여, 가시 영역 내의 분할된 각도 구간 내에서 상기 원형 배열 안테나의 상호 간섭 효과를 포함하는 상기 제1매니폴드(manifold) 행렬을 획득하고, 상기 각도 구간에서 상기 원형 배열 안테나에 대응되는 가상 배열 안테나의 상기 제2매니폴드 행렬을 획득한다. The transformation matrix forming unit 330 forms a transformation matrix to minimize a difference between specific values associated with the circular array antenna and the virtual array antenna. That is, the transformation matrix is determined such that the difference between the product of the first manifold matrix and the transformation matrix and the second manifold matrix is minimized. In this regard, it is possible to obtain the first manifold matrix including the mutual interference effects of the circular array antennas within the divided angular intervals in the visible region, and to obtain the first manifold matrix including the virtual arrays corresponding to the circular array antennas To obtain the second manifold matrix of the antenna.

상기 Hankel 행렬 형성부(340)는 상기 변환 행렬을 상기 원형 배열 안테나의 수신 신호와 곱하여 가상 수신 신호를 획득하고, 상기 가상 수신 신호에 기반하여 Hankel 행렬을 형성한다.The Hankel matrix forming unit 340 obtains a virtual receiving signal by multiplying the conversion matrix by the reception signal of the circular array antenna, and forms a Hankel matrix based on the virtual reception signal.

상기 반복횟수 판정부(350)는 상기 수신 신호 행렬을 생성한 이후에 도래각을 추정한 횟수를 판정한다. 즉, 최초로 상기 도래각을 추정하는 경우에는 고유치 분해에 기반하여 도래각을 추정하고, 이미 고유치 분해에 기반하여 도래각을 추정한 다음에는 PAST 고유치 벡터 추정에 기반하여 도래각을 추정한다.The number-of-repetition determining unit 350 determines the number of times the arrival angle is estimated after the reception signal matrix is generated. That is, when the arrival angle is first estimated, the arrival angle is estimated based on the eigenvalue decomposition, the arrival angle is estimated based on the eigenvalue decomposition, and then the arrival angle is estimated based on the PAST eigenvalue vector estimation.

상기 고유치 분해부(360)는 상기 가상 수신 신호를 z-변환하여 극점(pole)을 획득한다. 이때, 상기 극점은 상기 가상 수신 신호의 도래각에 의한 배열 소자 간의 위상 차(zk)에 해당한다. 이와 관련하여, 상기 도래각은 상기 위상 차(zk) 및 상기 가상 배열 안테나의 각 소자들 간의 간격 및 수신된 신호의 주파수에 기반하여 결정될 수 있다. 이때, 상기 위상 차는 상기 위상 차(zk)는 다음과 같은 수식에 기반하여 결정되고,The eigenvalue decomposition unit 360 z-transforms the virtual reception signal to obtain a pole. At this time, the pole corresponds to the phase difference (zk) between the array elements due to the arrival angle of the virtual reception signal. In this regard, the angle of incidence can be determined based on the phase difference zk and the spacing between the respective elements of the virtual array antenna and the frequency of the received signal. At this time, the phase difference is determined based on the following equation (zk)

Figure 112016045898173-pat00047
Figure 112016045898173-pat00047

Figure 112016045898173-pat00048
Figure 112016045898173-pat00048

Figure 112016045898173-pat00049
Figure 112016045898173-pat00049

상기 Y0 및 Y1 는 각각 Hankel 행렬(Y)의 마지막 열을 제거한 행렬 및 첫 번째 열을 제거한 행렬인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 위상 차(zk)는 다음과 같은 수식에 더 기반하여 결정되고,The Y 0 and Y 1 are respectively a matrix obtained by removing the last column of the Hankel matrix Y and a matrix obtained by removing the first column. Further, the phase difference zk is determined further based on the following equation,

Figure 112016045898173-pat00050
Figure 112016045898173-pat00050

Figure 112016045898173-pat00051
Figure 112016045898173-pat00051

상기 eig는 고유치를 구하는 연산이고, 상기

Figure 112016045898173-pat00052
각각
Figure 112016045898173-pat00053
의 마지막 행과 첫 번째 행이 삭제된 행렬이고, 상기
Figure 112016045898173-pat00054
은 상기 U의 K개의 행만 선택하여 생성된 행렬인 것을 특징으로 한다.Eig is an operation for obtaining eigenvalues,
Figure 112016045898173-pat00052
each
Figure 112016045898173-pat00053
The last row and the first row of the matrix are deleted,
Figure 112016045898173-pat00054
Is a matrix generated by selecting only K rows of U.

상기 PAST 고유치 벡터 추정부(370)는 도 6에서 도시된 바와 같은 방법을 사용하여 이전에 연산된 고유치에 기반하여 고유치 값을 업데이트하고, 상기 업데이트된 고유치 값과 관련된 고유치 벡터를 추정한다.The PAST eigenvector vector estimator 370 updates the eigenvalues based on the eigenvalues previously calculated using the method shown in Fig. 6, and estimates the eigenvalue vector associated with the updated eigenvalues.

상기 MPM 각도 추정부(380)는 상기 고유치 분해부(360) 또는 상기 PAST 고유치 벡터 추정부(370)로부터 획득된 배열 소자 간의 위상 차의 고유치에 기반하여, 도래각을 추정한다.The MPM angle estimator 380 estimates the arrival angle based on the eigenvalues of the phase differences between the array elements obtained from the eigenvalue decomposer 360 or the PAST eigenvector vector estimator 370.

이상에서 전술된 본 발명에 따른 도래각 추정 장치에 관한 내용은 후술될 본 발명에 따른 도래각 추정 방법에도 적용될 수 있음은 물론이다. 이와 관련하여, 도 10은 본 발명에 따른 도래각 추정 방법의 흐름도를 도시한다.It is needless to say that the above-described contents of the arrival angle estimating apparatus according to the present invention can be applied to the arrival angle estimating method according to the present invention. In this regard, Fig. 10 shows a flow chart of the approach angle estimation method according to the present invention.

도 10을 참조하면, 상기 도래각 추정 방법은 제1매니폴드 행렬 획득 단계(S1010), 제2매니폴드 행렬 획득 단계(S1020), 변환행렬 결정 단계(S1030), 가상 수신 신호 획득 단계(S1040) 및 도래각 추정 단계(S1050)를 포함한다.Referring to FIG. 10, the arrival angle estimation method includes a first manifold matrix acquisition step S1010, a second manifold matrix acquisition step S1020, a transformation matrix determination step S1030, a virtual reception signal acquisition step S1040, And an arrival angle estimation step (S1050).

상기 제1매니폴드 행렬 획득 단계(S1010)는 가시 영역 내의 분할된 각도 구간 내에서 상기 원형 배열 안테나의 상호 간섭 효과를 포함하는 제1매니폴드(manifold) 행렬을 획득한다.The first manifold matrix acquisition step (S1010) acquires a first manifold matrix including mutual interference effects of the circular array antennas in the divided angular intervals in the visible region.

상기 제2매니폴드 행렬 획득 단계(S1020)는 상기 각도 구간에서 상기 원형 배열 안테나에 대응되는 가상 배열 안테나의 제2매니폴드 행렬을 획득한다.The second manifold matrix acquisition step (S 1020) acquires a second manifold matrix of the virtual array antenna corresponding to the circular array antenna in the angle section.

상기 변환행렬 결정 단계(S1030)는 상기 제1매니폴드 행렬과 변환행렬의 곱과 상기 제2매니폴드 행렬의 차이가 최소가 되도록 상기 변환행렬을 결정한다.The transformation matrix determination step (S1030) determines the transformation matrix such that the difference between the product of the first manifold matrix and the transformation matrix and the second manifold matrix is minimized.

상기 가상 수신 신호 획득 단계(S1040)는 상기 변환 행렬을 상기 원형 배열 안테나의 수신 신호와 곱하여 가상 수신 신호를 획득한다.The virtual reception signal acquisition step (S1040) multiplies the conversion matrix by the reception signal of the circular array antenna to obtain a virtual reception signal.

상기 도래각 추정 단계(S1050)는 상기 가상 수신 신호를 z-변환하여 극점(pole)을 획득하여 도래각을 추정한다.The arrival angle estimation step (S1050) z-transforms the virtual reception signal to obtain a pole to estimate the arrival angle.

한편, 이상에서 도래각 추정 장치 및 도래각 추정 방법에서 전술된 내용들은 상호 결합되어 활용될 수 있음은 물론이다.It is needless to say that the above-described contents in the arrival angle estimation apparatus and the arrival angle estimation method can be combined and utilized.

본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 따르면, 수신신호를 이용하여 Hankel Matrix를 형성하고, 형성된 Hankel Matrix를 고유값분해(SVD : Singular Value Decomposition)를 하여 원형 배열 안테나에서 신호의 도래각을 추정할 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, a Hankel matrix is formed using a received signal, a Hankel matrix is formed by singular value decomposition (SVD), and a signal arrival angle is estimated in a circular array antenna There is an advantage that it can be.

또한, 상기 실시예들 중 적어도 하나에 따르면, 해당 고유값을 PAST(Projection Approximation Subspace Tracking)알고리즘을 사용하여 매우 작은 연산량을 가지는 장점이 있다. Also, according to at least one of the above embodiments, there is an advantage that the eigenvalue has a very small amount of computation using the Projection Approximation Subspace Tracking (PAST) algorithm.

또한, 상기 실시예들 중 적어도 하나에 따르면, 도래각 추정시 해당 표적의 위치에 따라 가상 선형 배열 안테나를 회전시켜 향상된 도래각 추정 및 추적 성능을 갖는다는 장점이 있다.In addition, according to at least one of the above embodiments, there is an advantage that the virtual linear array antenna is rotated according to the position of the target when the arrival angle is estimated, thereby having an improved arrival angle estimation and tracking performance.

1000: 도래각 추정 장치 100: 원형배열 안테나
200: 무선 유닛 300: 제어부1000: arrival angle estimation apparatus 100: circular array antenna
200: wireless unit 300:

Claims (7)

원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 방법에 있어서,
가시 영역 내의 분할된 각도 구간 내에서 상기 원형 배열 안테나의 각 소자들에 대한 상호 간섭 효과를 포함하는 수신 신호들에 대한 수신 신호 행렬인 제1매니폴드(manifold) 행렬을 획득하는 단계;
상기 각도 구간에서 상기 원형 배열 안테나의 각 소자들을 등가의 선형 배열 안테나의 각 소자들에 매핑하여 가상 배열 안테나를 생성하고, 상기 가상 배열 안테나의 각 소자들에 대한 수신 신호 행렬인 제2매니폴드 행렬을 획득하는 단계;
상기 제1매니폴드 행렬과 변환행렬의 곱과 상기 제2매니폴드 행렬의 차이가 최소가 되도록 상기 변환행렬을 결정하는 단계;
상기 변환 행렬을 상기 원형 배열 안테나의 수신 신호와 곱하여 가상 수신 신호를 획득하는 단계; 및
상기 가상 수신 신호를 z-변환하여 극점(pole)을 획득하여 도래각을 추정하는 단계를 포함하는, 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 방법.A method for estimating an arrival angle based on a circular array antenna,
Obtaining a first manifold matrix that is a received signal matrix for received signals including mutual interference effects for respective elements of the circular array antenna within a divided angular interval within a visible region;
A second array of antennas of the circular array antenna is generated by mapping the elements of the circular array antenna to the elements of the equivalent linear array antenna in the angular interval to generate a virtual array antenna, ;
Determining the transformation matrix such that the difference between the product of the first manifold matrix and the transformation matrix and the second manifold matrix is minimized;
Multiplying the transform matrix by a received signal of the circular array antenna to obtain a virtual received signal; And
And a step of z-transforming the virtual received signal to obtain a pole to estimate an incoming angle. 제1항에 있어서,
상기 극점은 상기 가상 수신 신호의 도래각에 의한 배열 소자 간의 위상 차(zk)에 해당하는, 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 방법.The method according to claim 1,
And the pole point corresponds to a phase difference (zk) between the array elements due to the arrival angle of the virtual received signal. 제2항에 있어서,
상기 위상 차(zk)는 다음과 같은 수식에 기반하여 결정되고,
Figure 112016045898173-pat00055

Figure 112016045898173-pat00056

Figure 112016045898173-pat00057

상기 Y0 및 Y1 은 각각 Hankel 행렬(Y)의 마지막 열을 제거한 행렬 및 첫 번째 열을 제거한 행렬인 것을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 방법.3. The method of claim 2,
The phase difference zk is determined based on the following equation,
Figure 112016045898173-pat00055

Figure 112016045898173-pat00056

Figure 112016045898173-pat00057

Wherein Y 0 and Y 1 are matrices obtained by removing the last column of the Hankel matrix (Y) and a matrix obtained by removing the first column, respectively. 제3항에 있어서,
상기 위상 차(zk)는 다음과 같은 수식에 더 기반하여 결정되는,
Figure 112016045898173-pat00058

Figure 112016045898173-pat00059

상기 eig는 고유치를 구하는 연산이고, 상기
Figure 112016045898173-pat00060
각각
Figure 112016045898173-pat00061
의 마지막 행과 첫 번째 행이 삭제된 행렬이고, 상기
Figure 112016045898173-pat00062
은 상기 U의 K개의 행만 선택하여 생성된 행렬인 것을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 방법.The method of claim 3,
The phase difference zk is determined based on the following equation: < EMI ID =
Figure 112016045898173-pat00058

Figure 112016045898173-pat00059

Eig is an operation for obtaining eigenvalues,
Figure 112016045898173-pat00060
each
Figure 112016045898173-pat00061
The last row and the first row of the matrix are deleted,
Figure 112016045898173-pat00062
Is a matrix generated by selecting only K rows of the U. The method of claim 1, 제4항에 있어서,
상기 도래각은 상기 위상 차(zk) 및 상기 가상 배열 안테나의 각 소자들 간의 간격 및 수신된 신호의 주파수에 기반하여 결정되는, 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 방법.5. The method of claim 4,
Wherein the arrival angle is determined based on the phase difference zk and the spacing between respective elements of the virtual array antenna and the frequency of the received signal. 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 장치에 있어서,
복수의 안테나 소자들이 원형으로 배열된 원형 배열 안테나; 및
상기 복수의 안테나 소자들 각각으로부터 수신된 무선 신호에 대한 신호 처리에 기반하여 무선 신호의 도래각을 추정하는 제어부를 더 포함하고,
상기 제어부는,
가시 영역 내의 분할된 각도 구간 내에서 상기 원형 배열 안테나의 각 소자들에 대한 상호 간섭 효과를 포함하는 수신 신호들에 대한 수신 신호 행렬인 제1매니폴드(manifold) 행렬을 획득하고,
상기 각도 구간에서 상기 원형 배열 안테나의 각 소자들을 등가의 선형 배열 안테나의 각 소자들에 매핑하여 가상 배열 안테나를 생성하고, 상기 가상 배열 안테나의 각 소자들에 대한 수신 신호 행렬인 제2매니폴드 행렬을 획득하고,
상기 제1매니폴드 행렬과 변환행렬의 곱과 상기 제2매니폴드 행렬의 차이가 최소가 되도록 상기 변환행렬을 결정하고,
상기 변환 행렬을 상기 원형 배열 안테나의 수신 신호와 곱하여 가상 수신 신호를 획득하고,
상기 가상 수신 신호를 z-변환하여 극점(pole)을 획득하여 도래각을 추정하는 것을 특징으로 하는, 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 장치.In a circular array antenna-based arrival angle estimating apparatus,
A circular array antenna in which a plurality of antenna elements are arranged in a circular shape; And
Further comprising: a controller for estimating an arrival angle of a radio signal based on signal processing for a radio signal received from each of the plurality of antenna elements,
Wherein,
Obtaining a first manifold matrix that is a received signal matrix for received signals including mutual interference effects for respective elements of the circular array antenna within a divided angular interval within a visible region,
A second array of antennas of the circular array antenna is generated by mapping the elements of the circular array antenna to the elements of the equivalent linear array antenna in the angular interval to generate a virtual array antenna, Lt; / RTI >
Determining the transformation matrix such that the difference between the product of the first manifold matrix and the transformation matrix and the second manifold matrix is minimized,
Multiplying the transform matrix by a received signal of the circular array antenna to obtain a virtual received signal,
And the arrival angle is estimated by obtaining a pole by z-transforming the virtual reception signal to estimate the arrival angle. 제6항에 있어서,
상기 원형 배열 안테나 및 상기 제어부 사이에 배치되는 무선 유닛을 더 포함하고,
상기 원형배열 안테나를 통해 상기 무선 유닛에 의해 수신된 무선 신호에 기반하여 상기 제어부가 도래각 추정을 수행하고,
상기 무선 유닛에 의해 기저대역 신호나 중간주파수 대역 신호로 변환된 신호에 기반하여 상기 제어부가 도래각 추정을 수행하거나 또는
상기 무선 유닛은 상기 원형 배열 안테나로부터 수신된 무선 신호를 상기 제어부로 전달하고, 상기 무선 신호에 기반하여 상기 제어부는 도래각 추정을 수행하는, 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 장치.The method according to claim 6,
Further comprising a radio unit disposed between said circular array antenna and said control unit,
Wherein the control unit performs an arrival angle estimation based on a radio signal received by the radio unit through the circular array antenna,
The control unit performs the arrival angle estimation based on the baseband signal or the signal converted into the intermediate frequency band signal by the wireless unit,
Wherein the wireless unit transmits a radio signal received from the circular array antenna to the controller, and the controller performs an arrival angle estimation based on the radio signal.
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